第六章、总线

一、总线概述

1、概览

如上图，4根信号线组成“一根”总线，所有硬件部件都可以通过这根总线传递数据可并行发送4bit数据。同一时刻只能有一个部件发送数据，但是可有多个部件接受数据

2、总线的定义

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。
共享：是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。
分时：是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。

为什么要用总线?
早期计算机外部设备少时大多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。
为了更好地解决I/0设备和主机之间连接的灵活性问题，计算机的结构从分散连接发展为总线连接。

3、总线的特性/分类

1.机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
2.电气特性：传输方向和有效的电平范围
3.功能特性：每根传输线的功能(地址、数据、控制）
4.时间特性：信号的时序关系

3.1、串行总线与并行总线

优点：只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输；应用于计算机内部时，可以节省布线空间。
缺点：在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行-并行转换的问题。

优点：总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。
缺点：信号线数量多，占用更多的布线空间；距离传输成本高昂；由于工作频率较高时，并行的信号线之间会产生严重干扰，对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作频率。

3.2、片内总线/系统总线/通信总线

1. 片内总线
   片内总线是芯片内部的总线。它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

2. 系统总线
   系统总线是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、1/O接口）之间相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。
   数据总线：
   传输各功能部件之间的数据信息，包括指令和操作数；位数(根数)与机器字长、存储字长有关；双向。
   地址总线：
   传输地址信息，包括主存单元或I/0端口的地址；位数（根数）与主存地址空间大小及设备数量有关；单向。
   控制总线：
   传输控制信息；一根控制线传输一个信号；有出：CPU送出的控制命令；有入：主存（或外设）返回CPU的反馈信号。单向

3. 通用总线
   通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备)之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线。

3.2、系统总线结构

单总线结构

结构：CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
优点：结构简单，成本低，易于接入新的设备。
缺点：带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并发传送操作。
双总线结构

通道是具有特殊功能的处理器，能对I/0设备进行统一管理。通道程序放在主存中。

结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传送；另一条是1/0总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
优点：将较低速的I/0设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/0总线分离。
缺点：需要增加通道等硬件设备。

三总线结构

结构：三总线结构是在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路，这3条总线分别为主存总线、1/0总线和直接内存访问DMA总线。
优点：提高了I/0设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
缺点：需要增加通道等硬件设备。

二、性能指标

1、多种性能指标

1. 总线的传输周期（总线周期）
   一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。
2. 总线的时钟周期
   即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。
3. 总线的工作效率
   总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。实际上指一秒内传送几次数据。
4. 总线的时钟频率
   即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。实际上指一秒内有多少个时钟周期。
5. 总线宽度
   又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数，如32根称为32位（bit)总线。
6. 总线带宽
   可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒(B/s)表示。
   
7. 总线复用
   总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。
8. 信号线数
   地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。

例题

例.某同步总线采用数据线和地址线复用方式，其中地址/数据线有32根，总线时钟频率为66MHz，每个时钟周期传送两次数据（上升沿和下降沿各传送一次数据）。

1）该总线的最大数据传输率（总线带宽）是多少?
2）若该总线支持突发（猝发)传输方式，传输一个地址占用一个时钟周期，则一次“主存写”总线事务传输128位数据所需要的时间至少是多少？